脑卒中易造成患者肢体偏瘫,影响患者的日常生活质量。手腕部作为人体行为动作的重要执行单元,进行手指抓握与手腕协作等粗大训练具有重要的意义。这里以正常手腕部的运动状态为基础,开发了一种基于手腕部粗大训练康复机器人。通过分析人体手腕部关节结构和关节夹角的生理特征,拟合生成手腕部抓握运动轨迹。构建三自由度的创新康复机器人的结构,实现手部同时抓握、手掌俯仰和手腕旋转运动。开发融合手腕部主/被动训练的康复机器人控制系统,验证机器人的运动功能。实验结果表明,手腕部康复机器人能够分别实现人体手指的抓握、手掌俯仰、手腕旋转的单独运动和相互协作运动,运动范围满足手腕部运动的生理需求。

针对下肢运动偏瘫患者,基于人体下肢运动规律,提出一种1R2T-1R型绳索驱动下肢康复机器人,并建立了完整模型。对该机器人进行运动学正逆解分析,并验证其正确性;基于蒙特卡洛法,在Matlab环境中求解该机器人在力封闭前提下的可控工作空间和实际工作空间,并进行了对比。结果表明,该康复机器人构型设计合理,其工作范围可以满足患者康复训练的需求。研究为后续的参数优化和轨迹规划提供了参考依据。

下肢康复机器人可根据指定康复指令辅助患者完成多个康复动作,达到目标关节活动角度。针对所设计的四自由度下肢康复机器人,采用基于STM32的运动控制卡为控制器,与角度传感器和肌肉信号传感器共同搭建了闭环控制系统软硬件。通过上位机指令控制机器人安全准确地完成康复动作,并记录康复数据。仿真实验表明,该控制系统能实现康复目标。

本文介绍国内外气动人工肌肉在康复医疗器械中的应用现状,重点分析近年来气动人工肌肉在上肢和下肢康复器械中的应用,其中上肢康复器械包括手部、手腕和手臂,下肢康复器械包括腿部、膝关节和踝关节;应用实例介绍了气动人工肌肉的工作特点和应用范围,并且对同功能康复器械对比分析。

近年来,脑卒中和交通事故造成上肢损伤的人数逐年上升,医疗领域对康复器械的需求越来越大。为满足实际需求,开发以气动人工肌肉为驱动器的4自由度(肩关节外收/内展(被动)、前驱/后伸、肘关节屈曲、腕关节屈曲)可穿戴上肢康复机器人。首先设计上肢康复机器人的结构,并采用气动人工肌肉作为肘关节与腕关节的驱动器。然后针对该上肢康复机器人,研究主动康复训练控制策略,设计两种控制策略。通过穿戴实验验证控制策略的有效性和实际应用价值。

本文据踝关节的运动规律、结构特点以及对踝关节康复训练方法的研究,针对传统踝关节康复训练方式简单、治疗效果不明显、训练周期较长等问题,构想出一种踝关节康复机器人结构。该装置主要采用液压系统,使脚板前后左右形成高度差,并采用滑道定轨的设计理念,使脚踝达到合理的运动范围,能够满足患者踝关节康复治疗的要求。首先对踝关节运动规律进行分析,设计踝关节康复机器人结构,确保满足踝关节康复训练要求的基本功能,并验证了设计方案的可行性。

针对意外伤害及脑卒中等造成的手部运动功能障碍问题,设计了一种新型手部康复机器人。重点介绍了三个模块化的执行机构和串联弹性驱动器的设计。利用解析法分析机器人的运动学特性,得出其运动学方程。然后通过图像处理技术得到了食指屈曲/伸展的运动轨迹,并将采集到的关节轨迹应用到运动学中,得出康复机器人的各个驱动关节的输入,并进行SIMULINK仿真验证。仿真结果证明该康复机器人整体结构设计合理,运动学模型正确,能够满足手部康复需求,同时也为后续康复机器人柔顺性控制提供了理论依据。

康复机器人关节的驱动方式和结构设计对控制性能和成本影响较大。提出并验证一种具有低成本、结构紧凑特点和关节动态力矩检测功能的机械设计,并此基础上设计了一款简洁的轻质可穿戴双侧四自由度上肢外骨骼。为了验证驱动关节和整体外骨骼设计的有效性,对其结构设计进行了阐述,并对其分别进行了运动学和动力学建模,通过Matlab对终端活动范围进行了仿真,并对样机的单关节和整体性能进行了测试,实验数据显示这种驱动关节和康复机器人设计表现出较好的控制性能,有良好的研究前景。

足底压力是患者进行康复训练时非常重要的生物力学参数。针对脚踏式下肢康复机器人,提出了一种新的基于弹性梁应变检测足底压力的方法,并设计了检测装置。通过分析人体足底力分布,选取足部四个主要受力点作为测量点;利用有限元仿真分析确定力与弹性梁应变的关系,建立了计算足底压力的数学模型;仿真与计算结果的对比,表明该方法及装置可实现对足底信息中重要的足底力大小的精确检测。利用该方法及装置可得到患者在训练过程中足底压力分布情况,可以用来康复评定,检测痉挛等,具有重要的临床意义。

肢体康复机器人运动速度低、位置精度要求不高但柔顺性和安全性要求高。气动肌肉是一种新型柔性驱动器适合于康复机器人的驱动。气动肌肉具有时滞、非线性等特点关节位置控制难度增大。由此建立了关节模型采用了模糊控制技术借助MATLAB的Simulink得到模糊控制查询表。实验表明本控制算法较好地实现了关节位置控制。